CN108161909B - 一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，该机器人包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分结构相同，所述右半部分从上至下依次包括：腰部模块、髋关节模块、大腿模块、小腿模块和踝关节模块；所述腰部模块的L型腰部支架远离微型液压马达的水平端面上固定有宽度调节板，所述宽度调节板包括挂耳部分和平板部分，平板部分与L型腰部支架的水平端面连接固定，在平板部分上沿水平方向设有限位槽，在限位槽内安装宽度调节压块，通过宽度调节压块在限位槽内的滑动压紧来实现宽度的调节；挂耳部分通过连接轴和套筒与腰部连接件铰接，套筒通过销轴实现定位。该机器人便于穿戴，在髋关节增加了外展内伸的自由度，具有仿生性。

Description

一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及助力机器人技术领域，具体为一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，制造业已成为我国经济发展。在生产车间，纯机械自动化设备搬运物料时对环境的要求较高，灵活性较差，大部分还是主要依靠人力来完成。但由于人体搬运时体能有限，效率相对较低。同时，长期从事大负荷搬运工作将会对人体造成慢性损伤。因此，发明一种体积轻巧，穿戴性强，辅助人高效搬运的下肢外骨骼助力装置显得尤为重要。

经文献检索，专利号为ZL2014107501010的中国专利提出了一种电机横置的助行外骨骼机器人，包括腰部固定装置、大腿固定装置、大腿驱动机构、膝盖固定装置、小腿固定装置、小腿驱动机构、弹性踩关节和鞋底。大腿驱动机构和小腿驱动机构均通过两个锥齿轮进行传动，通过锥齿轮改变传动方向，解决了下肢外骨骼机器人使用电机驱动时，关节处因电机伸出体外而造成的不便于穿戴和具有风险等问题，但是其结构过于繁琐，并且增大了质量，在每个关节处只设有屈/伸自由度，运动时不能很好地与人的关节同步。

专利号为ZL 201611165507.8的中国专利提出了一种用于辅助搬运的腰部助力机器人，包括背部支架、中央控制器、两个结构相同的动力装置与两个结构相同的下肢部件，包括外骨骼大腿、外骨骼鞋及伸缩装置。在髋关节处安装有电机加谐波减速器，通过编码器和控制器感应和控制外骨骼运动，但是髋关节和膝关节仅设有屈/伸自由度，踝关节仅设有外翻/内收自由度，腰部宽度不能随人体调节，且膝关节没有实现助力。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人。该机器人采用仿生学方法，质量轻、体积小，具有仿生性，在髋关节增加了外展内伸的自由度，使得外骨骼的运动从结构上更加符合人体。在腰部还设有宽度可调机构，便于穿戴。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，该机器人包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分结构相同，所述右半部分从上至下依次包括：腰部模块、髋关节模块、大腿模块、小腿模块和踝关节模块；其特征在于，

所述腰部模块包括：腰部外壳、L形腰部支架、连接轴、套筒、销轴、宽度调节板、宽度调节压块、微型液压马达、液压马达法兰和液压马达带轮；

所述L型腰部支架和腰部外壳通过螺钉连接在一起，L型腰部支架和腰部外壳形成的空腔内安装微型液压马达和髋关节模块，所述微型液压马达通过液压马达法兰固定在L型腰部支架的折角处，微型液压马达的输出轴通过键及顶丝连接液压马达带轮，液压马达带轮通过同步带连接髋关节模块的髋关节带轮；L型腰部支架远离微型液压马达的水平端面上固定有宽度调节板，所述宽度调节板包括挂耳部分和平板部分，平板部分与L型腰部支架的水平端面连接固定，在平板部分上沿水平方向设有限位槽，在限位槽内安装宽度调节压块，通过宽度调节压块在限位槽内的滑动压紧来实现宽度的调节；挂耳部分伸出平板部分上方，挂耳部分通过连接轴和套筒与腰部连接件铰接，套筒通过销轴实现定位，通过宽度调节板绕连接轴的转动实现大腿的外展/内收自由度；L型腰部支架与人体腰部接触，左右两个腰部模块通过腰部连接件连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

根据运动生物力学特性可知，人体髋关节、膝关节、踝关节分别具有三个、一个、三个自由度，但是目前外骨骼关节设计大多为一个单轴转动副，与人体实际运动不相符而产生运动误差，而这些运动学上的误差最终会以额外的力的形式作用在人体和关节处，极大影响了穿着的舒适度。本发明采用仿生学方法，相比于传统单轴转动副关节，在髋关节增设了外展内伸的自由度、踝关节增加了内外旋的自由度，更大地减小了外骨骼机器人与人体的运动误差，使得机外骨骼机器人能更好地贴合大腿，穿戴及行走更加舒适。在腰部和下肢均设有宽度可调机构，便于适用不同的群体。大腿和膝关节处采用弧形结构，使得外骨骼机构在运动产生冲击时能够得到缓冲，减小内力，机构更加牢固。

此外，本发明在髋关节、膝关节均设有驱动。通过液压马达带动带轮及传送带，传到髋关节带轮，实现髋关节的驱动，结构简洁，运动更加柔顺。通过液压缸驱动小腿，实现膝关节的助力。这种布置方法相比于其他将驱动器直接布置在外骨骼关节处的结构，更加简洁紧凑，穿戴便携，降低了腿部的质量。在踝关节处采用滚珠支架结构取代传统止推轴承，减小了足部的体积，使得人体足部的运动更加灵活和舒适。

附图说明

图1为本发明用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为腰部外壳1的立体结构示意图；

图3为除去腰部外壳后两个腰部模块的连接结构示意图；

图4为宽度调节板7的结构示意图；

图5为髋关节模块爆炸结构示意图；

图6为髋关节剖面结构示意图；

图7为大腿模块爆炸结构示意图；

图8为小腿模块爆炸结构示意图；

图9为踝关节模块爆炸结构示意图；

图中，腰部模块Ⅰ、髋关节模块Ⅱ、大腿模块Ⅲ、小腿模块Ⅳ、踝关节模块Ⅴ，腰部外壳1，L形腰部支架2，腰部连接件3，连接轴4，套筒5，销轴6，宽度调节板7，宽度调节压块8，微型液压马达9，液压马达法兰10，液压马达带轮11；轴盖12，轴承端盖13，外侧股盖14，弧板15，双列角接触轴承16，髋关节带轮17，内侧股盖18，髋关节轴19，垫块20，大腿长度调节杆21；外侧大腿装饰件22，大腿长度调节压块23，大腿支架24，大腿液压缸铰点轴25，液压缸26，内侧大腿装饰件27；膝关节块28，膝关节轴29，小腿液压缸铰点轴30，小腿大胫管31，小腿小胫管32，长度调节卡箍33，外侧小腿装饰件34，内侧小腿装饰件35，踝关节连接块36，踝关节转轴37，滚珠上支架38，尼龙防尘套39，滚珠40，滚珠保持架41，滚珠下支架42，踝关节脚支43，鞋子44。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，从上至下依次包括：腰部模块Ⅰ、髋关节模块Ⅱ、大腿模块Ⅲ、小腿模块Ⅳ和踝关节模块Ⅴ；且该机器人为左右对称结构，以中间平面为基准左半部分和右半部分对称，以下以右半部分为例进行说明。

如图2、3所示，腰部模块Ⅰ包括：腰部外壳1、L形腰部支架2、连接轴4、套筒5、销轴6、宽度调节板7、宽度调节压块8、微型液压马达9、液压马达法兰10、液压马达带轮11；

所述L型腰部支架2和腰部外壳1通过螺钉连接在一起，L型腰部支架2和腰部外壳1形成的空腔内安装微型液压马达9和髋关节模块II，所述微型液压马达通过液压马达法兰10固定在L型腰部支架2的折角处，微型液压马达9的输出轴通过键及顶丝连接液压马达带轮11，液压马达带轮用于带传动；L型腰部支架2远离微型液压马达9的水平端面上固定有宽度调节板7，所述宽度调节板7(参见图4)包括挂耳部分701和平板部分702，平板部分702与L型腰部支架2的水平端面连接固定，在平板部分上沿水平方向设有限位槽703，在限位槽703内安装宽度调节压块8，通过宽度调节压块8在限位槽703内的滑动压紧来实现宽度的调节；挂耳部分701伸出平板部分702上方，挂耳部分701通过连接轴4和套筒5与腰部连接件3铰接，套筒5通过销轴6实现定位，通过宽度调节板7绕连接轴4的转动实现大腿的外展/内收自由度；L型腰部支架2与人体腰部接触，左右两个腰部模块通过腰部连接件3连接；

如图5和图6所示，髋关节模块Ⅱ包括：轴盖12、轴承端盖13、外侧股盖14、弧板15、双列角接触轴承16、髋关节带轮17、内侧股盖18、髋关节轴19、垫块20和大腿长度调节杆21；所述髋关节轴19通过螺钉固定到L型腰部支架2的竖直端面上成为定轴；在髋关节轴19上固定髋关节带轮17，在髋关节轴与髋关节带轮之间安装双列角接触轴承16，通过轴盖12、轴承端盖13、髋关节轴19的轴肩实现轴向固定；所述外侧股盖14、弧板15、髋关节带轮17、内侧股盖18构成一体，在外侧股盖14和内侧股盖18的下端之间通过垫块20连接大腿长度调节杆21，大腿长度调节杆21向下伸出L型腰部支架；双列角接触轴承16可以承受径向负荷和作用在两个方向的轴向负荷，占用的轴向空间小，髋关节带轮17通过同步带与液压马达带轮11相连，如此的驱动布置方式减小了关节体积，提高了机构运动的柔顺度。

所述外侧股盖和内侧股盖形状相同，外侧股盖的上半部分是半圆，外侧股盖和内侧股盖的上半部分固定在髋关节带轮17上，轴承端盖13用于固定双列角接触轴承16，且轴承端盖的上部固定在髋关节带轮17的上部，外侧股盖的下半部分用于连接大腿长度调节杆；内外侧股盖之间具有间隙，在间隙中安装弧板15，髋关节带轮被外侧股盖、内侧股盖及弧板15包裹，弧板能起到装饰和支撑的作用，垫块是尼龙做的，主要用于填补内外侧股盖与大腿长度调节杆之间的空隙。

如图7所示，大腿模块Ⅲ包括外侧大腿装饰件22、大腿长度调节压块23、大腿支架24、大腿液压缸铰点轴25、液压缸26、内侧大腿装饰件27，所述大腿支架24的内侧上部设有调节杆凹槽，下部为镂空弧形结构，使机器人运动时机构受力得到缓冲，易于穿戴，同时大大减轻了大腿的重量，在调节杆凹槽的上部后方设有吊耳；大腿长度调节压块23一侧也设有调节杆凹槽，大腿支架24上的调节杆凹槽用于放置大腿长度调节杆21，大腿长度调节压块23上的调节杆凹槽用于压紧大腿长度调节杆21，大腿支架24与大腿长度调节压块23通过螺栓固定连接，实现大腿长度调节；大腿长度调节压块23与大腿支架相应的位置上也设有吊耳，所述液压缸铰点轴25安装在长度调节压块23和大腿支架24的吊耳上，液压缸26上端安装在液压缸铰点轴25上；在大腿支架24的外侧粘合外侧大腿装饰件22，在大腿支架和大腿长度调节压块23的内侧粘合内侧大腿装饰件27；内侧大腿装饰件27和外侧大腿装饰件22的整体形状与大腿支架相匹配，由ABS塑料分块精雕而成。

大腿支架24与大腿长度调节压块23设有吊耳的一侧的两个接触端面之间无间隙，通过长螺栓固定，大腿支架24与大腿长度调节压块23没有设吊耳的一侧之间具有空隙，通过短螺栓压紧，通过调节短螺栓的松紧程度可以有效调节大腿长度调节杆的伸出长度。

如图8所示，小腿模块Ⅳ包括膝关节块28、膝关节轴29、小腿液压缸铰点轴30、小腿大胫管31、小腿小胫管32、长度调节卡箍33、外侧小腿装饰件34、内侧小腿装饰件35；所述膝关节块28的上部设有用于连接大腿支架下端的大腿连接孔，后方设有用于连接液压缸26下端的吊耳，下部设有用于安装小腿大胫管31的空腔；膝关节块28通过膝关节轴29与大腿支架24铰接，通过小腿液压缸铰点轴30与液压缸26铰接，小腿液压缸铰点轴30安装在膝关节块28的吊耳上；所述膝关节块28也采用镂空弧形结构，外骨骼机构运动时受力得到缓冲，膝关节块28下端通过螺钉上紧产生夹持力夹紧小腿大胫管31；所述小腿大胫管31下端开有豁口，与小腿小胫管32套接，小腿大胫管31与小腿小胫管32通过长度调节卡箍33夹紧，实现小腿长度可调；在膝关节块28下方的小腿大胫管31的内外两侧分别粘合内侧小腿装饰件35、外侧小腿装饰件34，所述外侧小腿装饰件34、内侧小腿装饰件35与长度调节卡箍33相连成一体，长度调节卡箍33及外侧小腿装饰件34、内侧小腿装饰件35上均设有顶丝孔，长度调节卡箍33通过顶丝固连在外侧小腿装饰件34、内侧小腿装饰件35上。

如图9所示，踝关节模块Ⅴ包括踝关节连接块36、踝关节转轴37、滚珠上支架38、尼龙防尘套39、滚珠40、滚珠保持架41、滚珠下支架42、踝关节脚支43、鞋子44；所述踝关节连接块36上部设有圆形凹槽，该圆形凹槽与小腿小胫管32相配合通过焊接将踝关节连接块与小腿小胫管固连；踝关节连接块36的下部设有供滚珠上支架38上端插入的凹槽，踝关节连接块36与滚珠上支架38通过踝关节转轴37铰接；所述滚珠上支架38、尼龙防尘套39、滚珠40、滚珠保持架41、滚珠下支架42可拆卸相连的组成一体，滚珠40放入滚珠保持架41，滚珠上支架38下端设有螺纹，滚珠上支架、滚珠下支架和滚珠保持架41通过带帽螺母连接，滚珠上支架、滚珠下支架和滚珠保持架41组合形成滚珠空腔，滚珠在里面滚动，尼龙防尘套39覆盖在滚珠保持架上方，可防止尘土进入滚珠腔影响转动，该安装方式相比于止推轴承，体积更加小；所述踝关节脚支43材料为尼龙，踝关节脚支43的上部设用于安装滚珠保持架41的圆柱凹槽，滚珠保持架41与踝关节脚支43两者通过粘接胶合；踝关节脚支43的底部与鞋子44的侧面固定连接，通过踝关节脚支将将机器人各机构的力传递到地面，鞋子44上有柔性绑带用于绑缚。

所述鞋子44内设有压力鞋垫，压力鞋垫的第一跖骨、第四与第五跖骨之间、足根部位置均设有薄膜压力传感器，用于对足底压力信息的采集。

本发明用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人的工作原理和工作过程是：在人体要搬运重物时，首先对本申请机器人进行穿戴，根据不同穿戴着的身材，调整好下肢外骨骼机器人的尺寸，然后将使用者的腰部、大腿、小腿、脚部用柔性绑带与机器人的相应部分固定。当人体搬重物起身时，液压马达带动液压马达带轮11转动，通过同步带传递到髋关节带轮17，带动髋关节转动，实现髋关节助力；同时液压缸26外伸，实现小腿助力，带动使用者腿部进行屈伸，帮助人完成起身搬运的动作，从而实现助力功能。

本申请机器人的腰部模块设置为宽度可调的结构使腰部宽度大小可调，同时大腿模块与髋关节模块连接处设置大腿长度调节杆、小腿模块中的小腿大胫管和小腿小胫管之间通过长度调节卡箍实现大腿和小腿的腿长度可调，适用不同高矮、胖瘦人体的穿戴。髋关节、踝关节的转动副分别用带轮驱动方式、滚珠腔形式，关节体积更小，更加轻便，增加了髋关节外展内伸自由度(由连接轴、套筒及销轴所控制实现)及踝关节内外旋自由度(滚珠上支架、滚珠下支架、滚珠保持架及滚珠形成的结构控制实现)减少机器人与人体运动的误差，大腿支架和膝关节块均采用镂空弧形结构，机构内力得到缓冲，更加贴合人体腿部曲线，降低机器人自重，使机器人能更好地贴合人体，真正实现仿生。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，该机器人包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分结构相同，所述右半部分从上至下依次包括：腰部模块、髋关节模块、大腿模块、小腿模块和踝关节模块；其特征在于：

所述腰部模块包括：腰部外壳、L形腰部支架、连接轴、套筒、销轴、宽度调节板、宽度调节压块、微型液压马达、液压马达法兰和液压马达带轮；

所述L型腰部支架和腰部外壳通过螺钉连接在一起，L型腰部支架和腰部外壳形成的空腔内安装微型液压马达和髋关节模块，所述微型液压马达通过液压马达法兰固定在L型腰部支架的折角处，微型液压马达的输出轴通过键及顶丝连接液压马达带轮，液压马达带轮通过同步带连接髋关节模块的髋关节带轮；L型腰部支架远离微型液压马达的水平端面上固定有宽度调节板，所述宽度调节板包括挂耳部分和平板部分，平板部分与L型腰部支架的水平端面连接固定，在平板部分上沿水平方向设有限位槽，在限位槽内安装宽度调节压块，通过宽度调节压块在限位槽内的滑动压紧来实现宽度的调节；挂耳部分伸出平板部分上方，挂耳部分通过连接轴和套筒与腰部连接件铰接，套筒通过销轴实现定位，通过宽度调节板绕连接轴的转动实现大腿的外展/内收自由度；L型腰部支架与人体腰部接触，左右两个腰部模块通过腰部连接件连接；

所述髋关节模块包括：轴盖、轴承端盖、外侧股盖、弧板、双列角接触轴承、髋关节带轮、内侧股盖、髋关节轴、垫块和大腿长度调节杆；所述髋关节轴通过螺钉固定到L型腰部支架的竖直端面上成为定轴；在髋关节轴上固定髋关节带轮，在髋关节轴与髋关节带轮之间安装双列角接触轴承，通过轴盖、轴承端盖、髋关节轴的轴肩实现轴向固定；所述外侧股盖和内侧股盖形状相同，外侧股盖和内侧股盖的上半部分固定在髋关节带轮上，轴承端盖用于固定双列角接触轴承，且轴承端盖的上部固定在髋关节带轮的上部，外侧股盖和内侧股盖的下半部分用于连接大腿长度调节杆，大腿长度调节杆向下伸出L型腰部支架；内外侧股盖之间具有间隙，在间隙中安装弧板，髋关节带轮被外侧股盖、内侧股盖及弧板包裹，在外侧股盖的下端之间通过垫块连接；髋关节带轮通过同步带与液压马达带轮相连；

所述踝关节模块包括踝关节连接块、踝关节转轴、滚珠上支架、滚珠、滚珠保持架、滚珠下支架、踝关节脚支、鞋子；

踝关节连接块的下部设有供滚珠上支架上端插入的凹槽，踝关节连接块与滚珠上支架通过踝关节转轴铰接；滚珠放入滚珠保持架，滚珠上支架下端设有螺纹，滚珠上支架、滚珠下支架和滚珠保持架通过带帽螺母连接，滚珠上支架、滚珠下支架和滚珠保持架组合形成滚珠空腔；踝关节脚支的上部设用于安装滚珠保持架的圆柱凹槽，滚珠保持架与踝关节脚支两者通过粘接胶合；踝关节脚支的底部与鞋子的侧面固定连接。

2.根据权利要求1所述的用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，其特征在于所述大腿模块包括外侧大腿装饰件、大腿长度调节压块、大腿支架、大腿液压缸铰点轴、液压缸、内侧大腿装饰件，所述大腿支架的内侧上部设有调节杆凹槽，下部为镂空弧形结构，在调节杆凹槽的上部后方设有吊耳；大腿长度调节压块一侧也设有调节杆凹槽，大腿支架上的调节杆凹槽用于放置大腿长度调节杆，大腿长度调节压块上的调节杆凹槽用于压紧大腿长度调节杆，大腿支架与大腿长度调节压块通过螺栓固定连接；大腿长度调节压块与大腿支架相应的位置上也设有吊耳，所述液压缸铰点轴安装在长度调节压块和大腿支架的吊耳上，液压缸上端安装在液压缸铰点轴上；在大腿支架的外侧粘合外侧大腿装饰件，在大腿支架和大腿长度调节压块的内侧粘合内侧大腿装饰件；内侧大腿装饰件和外侧大腿装饰件的整体形状与大腿支架相匹配。

3.根据权利要求2所述的用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，其特征在于所述小腿模块包括膝关节块、膝关节轴、小腿液压缸铰点轴、小腿大胫管、小腿小胫管、长度调节卡箍、外侧小腿装饰件、内侧小腿装饰件；所述膝关节块的上部设有用于连接大腿支架下端的大腿连接孔，后方设有用于连接液压缸下端的吊耳，下部设有用于安装小腿大胫管的空腔；膝关节块通过膝关节轴与大腿支架铰接，通过小腿液压缸铰点轴与液压缸铰接，小腿液压缸铰点轴安装在膝关节块的吊耳上；所述膝关节块也采用镂空弧形结构，膝关节块下端通过螺钉上紧产生夹持力夹紧小腿大胫管；所述小腿大胫管下端开有豁口，与小腿小胫管套接，小腿大胫管与小腿小胫管通过长度调节卡箍夹紧；在膝关节块下方的小腿大胫管的内外两侧分别粘合内侧小腿装饰件、外侧小腿装饰件，所述外侧小腿装饰件、内侧小腿装饰件与长度调节卡箍相连成一体。

4.根据权利要求2所述的用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述踝关节连接块上部设有圆形凹槽，该圆形凹槽与小腿小胫管相配合通过焊接将踝关节连接块与小腿小胫管固连。

5.根据权利要求1所述的用于辅助搬运的仿生下肢外骨骼机器人，其特征在于所述鞋子内设有压力鞋垫，压力鞋垫的第一跖骨、第四与第五跖骨之间、足根部位置均设有薄膜压力传感器。

Images